基于異向磁阻的三維磁場探測方法

李縱華 高炯 高俊 梁峻平

摘 要 三維磁場傳感器，是用來測量空間磁場的一種裝置，在工業生產和科學研究的許多領域都涉及到磁場測量的問題，如磁探礦、地質勘探、磁性材料研究、磁導航、同位素分離、電子束加工裝置、受控熱核反應以及人造地球衛星等。在很多地方，磁場檢測的精確度跟檢測范圍顯得尤為重要，對空間磁場的測量，也是現代科技所要求的發展方向。在高度智能化，微控制器被廣泛應用的今天，利用磁阻器件，傳感器芯片和單片機實現集成化，智能化成為改善空間磁場測量的比較有效的方法。

關鍵詞 異向磁阻 三維磁場 探測方法

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A

0緒論

磁場檢測與我們的生活息息相關，特別是在中低頻磁場的檢測方面，有著更加實際的運用。在磁場的檢測中，一些常規的傳感器檢測往往出現差錯，不能準確檢測場的大小和方向，國內外現在研究出的這類交變磁場傳感器，現在一般都用來檢測變化比較微弱的交變磁場，達不到中頻磁場精確測量的要求。空間磁場的檢測在當下磁場研究領域作為一個新型的研究方向，針對于其檢測技術還不是很完善，還需不斷的鉆研開發。

本文以地磁測量為切入點，以三維空間磁場測量為檢測目的，研究設計出了針對于三維空間磁場測量的基本檢測裝置。在研究了大量資料后，初步對國內外空間磁場檢測技術有了了解。當下科技趨向于高度的智能化和集成化，在這前提下，通過研究分析空間磁場檢測芯片的結構和性能，自行研究設計了一種空間磁場檢測裝置，這套裝置是以低成本，小型化，穩定性好，精確度高的要求下設計的，最后通過對該裝置的各個部分進行軟硬件設計，實現了基本的功能，并且針對于有可能存在的誤差做出了分析補償。

1巨磁阻傳感器基本原理

磁阻效應（MagnetoresistanceEffects）的定義為：對于某一些器件來說，其電阻值因為外加磁場的變化而引起其電阻值得變化的現象，在導體內部的載流子在變化的磁場中受到洛倫茲力的作用從而產生了磁阻效應。磁阻效應主要有以下幾種：常磁阻（OrdinaryMagnetoresistance，OMR）針對于非磁性金屬材料來說，其內部的電子由于在運動過程中由于受到變化的磁場產生的洛倫茲力的影響，使其原來的直線運動軌跡發生變化，變成了曲線運動軌跡，從而使電子的運動路線增加，電流傳導速度變慢，所以增大了材料的電阻，這種現象被稱為常磁阻；巨磁阻（GiantMagnetoresistance，GMR）。

在特定的條件下，導體的電阻值會隨著磁感應強度的變化而變化，這種變化的規律被叫做磁阻效應。如圖1所示，當導體在于磁場中時，導體內部的載流子因為受到洛倫茲力的作用，使其運動路徑發生改變，最終聚集在導體的兩端，因為電子的聚集，從而在導體兩端產生霍爾電場。假如霍爾電場的作用力跟其中的一定速度的載流子產生的洛倫茲力的作用相互抵消，那么不同于該速度的載流子的運動路徑就會發生改變，所以同外加電場方向相同的運動載流子的數目就會變少，導體的電阻就會增大。

2硬件設計

霍尼韋爾HMC1043型傳感器是一種微小的三軸層面安裝的傳感器檢測裝置。適用于低磁場磁性傳感。增添了這種擁有支持幸好處理功能的HMC1043型傳感器，能得到成本收益高并且節約安裝空間的三軸磁傳感器或指定技術方案。這種芯片是一種制造成本低，精確度高、穩定性好而且體積小的微型傳感器，它裝配簡單，適合用在容量比較大的OEM設備的設計當中。HMC1043型三軸傳感器的應用范圍有：定向、導航裝置、磁場檢測和電流傳感等。

3系統設計與實現

系統結構總體設基本構成部分主要有：三維磁場傳感器、信號處理電路、置位/復位電路、檢測電路等。信號處理電路又包括信號放大電路、采樣電路和單片機控制電路。其檢測原理為：將測量裝置放置于磁場中，空間磁場的磁場強度經過檢測電路，通過傳感器后，將磁場強度轉化為電信號，電信號進過放大電路處理后送到示波器，通過示波器顯示出的波形來判斷磁場時域的大小。置位/復位電路可以使測量裝置在受到外部干擾后重新恢復正常工作。系統總體結構如圖2所示。

因為被檢測磁場的磁場強度在15 T到0.1mT之間，所需檢測的信號比較小，所以對放大電路和采樣電路的設計要求就比較高了，放大電路和采樣電路會影響測量的精確度和準確度，我所采用的是LMV324型放大器，它是一種四通道COMS放大器，其在5V電壓下的增益帶寬為1MHz，共模電壓輸出范圍為-0.2～-0.8V/Vcc，可以提供軌至軌輸出。圖中的基準電壓源為Vref為2.5V，通過計算后，放大器的輸出與輸入的關系可以滿足Vout=2.5～200V磁場轉化的靈敏度為1.0Mv/v/gauss，在15 T～0.1T磁場強度下，Vin=0.15～1.0mV，通過對上述數據的分析可以得出，無論外界磁場強度的變化范圍大，放大器的輸出數值始終可以保持在2.3～2.5V之間，所以輸出的電流信號比較穩定所以有利于采樣。

采樣電路的設計主要是由多路模擬開關CD4051和高速數模轉換器ADS800來構成的。ADS800是由美國的BB公司生產的一種轉換器，該轉換器是一種12位40M取樣的COMS模數轉換器，它是由1個12位的量化器、基準電源、三態輸出電路和寬帶跟蹤保持放大器來組成的，+5V供電電源，輸入端被接成差動輸入的方式，也可以接成單端輸入的方式，在本設計的電路中采用的是單端輸入的方式。如圖中，CD5041的A、B兩個端口分別接80C196KCP1口的P1.7、P1.6，通過這兩個端口的相互切換來決定采樣的是三維磁場傳感器的那一個軸的輸出磁場信號。

4結論

本設計是利用三軸磁阻傳感器HMC1043芯片搭建的空間磁場檢測裝置，并實現了系統的軟、硬件設計。本文首先介紹了磁阻效應跟霍爾效應這些總領全文的基本理論，闡述了測量裝置的基本工作原理。其次將系統分為電源模塊，控制模塊、傳感器采集模塊以及顯示輸出模塊分別進行電路的設計和實現。然后根據PCB的布板原則完成了PCB電路板設計、焊接和調試。通過MPLABIDE開發環境實現了程序編寫，編譯以及和硬件的聯調。最后，分析了所設計的裝置的測量結果及存在的誤差，并不斷提出相應的補償方法，通過不斷調試，提高裝置的精度。

作者簡介：姓名：李縱華（1976.3-），男，蒙古族族，內蒙古，內蒙古特種設備檢驗院，本科，副高級，研究方向：檢測技術。

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